Study of the magnetic fluctuations of heavy fermions systems by inelastic neutron scattering
Etude des fluctuations magnétiques de composés à fermions lourds par diffusion inélastique des neutrons
Résumé
In the present work, inelastic neutron scattering has been performed to study the magnetic excitations of the heavy fermions systems Ce(1-x)La(x)Ru2Si2 and CeIn(3-x)Sn(x). Those systems are characterized by a quantum phase transition (at T = 0) between a magnetically ordered ground state and a Fermi liquid paramagnetic ground state. The first experimental part is devoted to the system Ce(1-x)La(x)Ru2Si2. A detailed study of the temperature dependence of the magnetic fluctuations is carried out for the compound of critical concentration xc and for the paramagnetic compound of concentration x = 0. We find i) that the magnetic fluctuations saturate at low temperatures, and ii) that the dynamical susceptibility, which corresponds to those fluctuations, follows a high temperature E/T^b scaling law with b < 1. Such results do not enter the framework of quantum phase transitions theories, since i) a divergence of the spin fluctuations is expected, and ii) a E/T^b scaling law can only occur with b > 1 in those theories. A study of the ordered compounds x > xc permits to conclude that the antiferromagnetic fluctuations are critical and that they govern the transition, even if they do not diverge at the magnetic instability. The second part concerns the system CeIn(3-x)Sn(x). A study of the excitations spectra of CeIn3 illustrates the duality of heavy fermions systems : well-defined spin waves are a manifestation of the localized character of the f electrons, while the broadening the crystal field excitations is due to their itinerant character. A study of the magnetic fluctuations of the critical compound of concentration xc=0.6 seems also to indicate their saturation below 10 K.
Dans le travail présenté ici, la diffusion inélastique des neutrons est utilisée pour étudier les excitations magnétiques des systèmes à fermions lourds Ce(1-x)La(x)Ru2Si2 et CeIn(3-x)Sn(x). Une première partie expérimentale est consacrée au système Ce(1-x)La(x)Ru2Si2. Les fluctuations magnétiques du composé de concentration critique xc = 7.5 % et du composé paramagnétique de concentration x = 0 % sont d'abord étudiées. On obtient i) que les fluctuations magnétiques de ces deux alliages saturent aux basses températures, et ii) qu'aux hautes températures la susceptibilité dynamique suit une loi d'échelle en E/T^b avec b < 1. Ces résultats ne rentrent pas dans le cadre des théories sur les transitions de phase quantiques : en effet, i) ces théories prévoient que les fluctuations divergent à la transition, et ii) seuls des exposants b > 1 peuvent être obtenus dans de tels modèles. Une étude des composés ordonnés de concentrations x > xc permet de conclure que les fluctuations corrélées antiferromagnétiquement sont les fluctuations critiques qui gouvernent la transition de phase quantique, bien qu'elles ne divergent pas à l'instabilité magnétique. La deuxième partie consiste en l'étude du système CeIn(3-x)Sn(x). Le spectre des excitations de CeIn3 illustre la dualité des systèmes à fermions lourds : le caractère localisé des électrons f se manifeste par des ondes de spin très bien définies alors que leur caractère itinérant se traduit par un fort élargissement de l'excitation de champ cristallin. Une étude du spectre des excitations d'une poudre du composé de concentration critique xc = 0.6 semble par ailleurs indiquer que les fluctuations magnétiques saturent aux basses températures.
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